氨作为支撑肥料、化工产品等多种产业活动的原料，长期以来被广泛使用。近年来，基于其燃烧时不排放二氧化碳的性质以及仅需轻微加压或冷却即可轻松液化的性质，全球都在探讨将其用作一种能够在比氢气更高能量密度状态下储存和运输的能源载体及燃料。
东京大学研究生院工学系研究科的西林仁昭教授等人的研究团队，通过使用作为氨合成催化剂的钼配合物和作为光致电子转移催化剂的铱配合物这两种分子催化剂，以及作为还原剂的三苯基膦（Ph₃P）等有机磷化合物，成功在太阳光主要成分的可见光照射下，利用常温常压的氮气（N₂）和水（H₂O）光催化合成了氨（NH₃）。相关研究成果已发表在期刊《Nature Communications》上。
图1 成功利用可见光能量驱动由氮气（N₂）和水（H₂O）催化合成氨（NH₃）（供图：东京大学）
研究团队在2018年时发现，当通过光反应引发有机磷化合物向其他分子的电子转移（光致电子转移）时，其与水分子之间会形成P-O键，且该键可使水分子被激活，能作为可轻易向其他分子提供质子的强酸而发挥作用。
此次，研究团队应用了从该反应体系中获得的知识，通过使用光氧化能力较强的光致电子转移催化剂来引发来自有机磷化合物的光致电子转移，激活水分子，并将水作为在钼配合物上进行的氨合成反应的质子源使用。
具体做法如下，当对含有钼配合物（作为氨合成催化剂）、铱配合物（作为光致电子转移催化剂）、有机磷化合物（作为还原剂）以及水（作为质子源）的溶液，在常温常压的氮气氛围下进行可见光照射时，催化生成了氨。在该反应体系中，通过添加可促进底物与催化剂间质子传递的质子传递体（吡啶衍生物），反应活性将急剧提升。
该体系在迄今报告的光催化氨合成反应体系中达成了最高的催化剂转换数（TON），同时成功将量子效率从先前研究中的2%飞跃性地提升至22%。
通过对该光催化反应的反应机理进行调查，推测其经由多个过程进行。首先，利用照射的可见光能量，光致电子转移催化剂——铱配合物引发来自有机磷化合物的电子转移，使铱配合物转化为还原状态，有机磷化合物转化为氧化状态。氧化状态的有机磷化合物与水分子结合形成键并激活水分子。
另一方面，钼配合物激活氮分子并生成具有氮化物配体的氮化物配合物。铱配合物的还原态向氮化物配合物提供电子，结合了水分子的有机磷化合物则提供质子（质子耦合电子转移），从而生成氨。此时，结合了水分子的有机磷化合物到氮化物配合物的质子转移，在质子传递体存在下大幅加速。
本次研究是全球首次成功利用常温常压下的氮气和水，使用太阳光的主要成分——可见光，合成为实现碳中和目标而需求预计扩大的氨的案例。该研究不仅为绿色氨合成法的开发提供了重要知识，同时预计将对多个研究领域产生波及效应。
原文：《科学新闻》
翻译：JST 客观日本编辑部
【论文信息】
期刊：Nature Communications
论文：Catalytic ammonia formation from dinitrogen, water, and visible light energy
DOI：10.1038/s41467-025-59727-w
